• Die Lernenden lernen den Umgang mit der Nuklidkarte und können in ihrer Zerfallsketten ablesen.
  • Sie lernen darüberhinaus die Begriffe Aktivität und Halbwertszeit kennen.
  • Alpha-, Beta-, Gammastrahlung sind bekannt

Kurzübersicht

Ablauf

  • Ziel: Die Lehrperson führt ein einfaches Kern-Hülle-Modell ein, inklusive den Begriffen Protonenzahl und Nukleonenzahl.
  • Aktivität:
    • Aktivierung des Vorwissens: Materie ist aus Atomen aufgebaut. Relevant für die UE sind die Kerne der Atome, die Nuklide.
    • Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen
      • Protonen legen das Element fest
      • die Zahl der Neutronen kann für jedes Element variieren
    • Beispiel Wasserstoff von Dirk Hünniger (bearbeitet) CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons
    • Kerne mit gleicher Protonen- aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.
    • in einer Nuklidkarte sind alle Nuklide geordnet nach ihrer Protonen- und Neutronenzahl geordnet dargestellt
  • Ziel: Die Lernenden werden in den Gebrauch der Nuklidkarte eingeführt
  • Material: Auszüge aus der Nuklidkarte für die Lernenden
  • Aktivität:
  • Lehrkraft teilt Nuklidkarte aus und erklärt wie sie in Bezug auf Neutronen- und Protonenzahl zu lesen ist. Hier bietet es sich an einige Nuklide gemeinsam zu suchen, um die Protonen- und Neutronenzahl herauszufinden.
  • L. führt in die Nuklidschreibweise ein
    • S. erhalten das Arbeitsblatt Nuklidkarte mit einigen leichten Aufgaben, um die Nuklidkarte kennenzulernen und die Schreibweise zu üben.
  • Ziel: Anhand der Nuklidkarte lernen die Lernenden die Strahlenarten anhand ihrer Zerfallswege besser kennen.
  • Aktivität:
    • Die Lehrkraft lenkt die Aufmerksamkeit der Lernenden auf die farbliche Codierung der Nuklide: Es gibt einen Bereich für stabile Nuklide, einen für Alphastrahler und einen Bereich für die zwei Arten der Betastrahler.
    • Die Lehrkraft erklärt, dass die Kernstrahlung beim Zerfall von instabilen Kernen auftritt. Instabile Kerne haben ein „unausgewogenes“ Neutronen-Protonen-Verhältnis1.
    • Nuklide zerfallen immer in Richtung des Bereichs der stabilen Nuklide.
    • Alphazerfall
      • Vom Arbeitsblatt 1 wissen die Lernenden noch, dass Alphastrahlung aus Heliumkernen besteht. Die Lehrkraft erklärt, dass ein zerfallener Alphastrahlung einen Heliumkern abgibt, also je zwei Protonen und Neutronen verliert.
      • Dies kann anhand der Nuklidkarte nachvollzogen werden: Uran-238 zerfällt bspw. zu Thorium-234. Die Anzahl der Nukleonen nimmt um 4 ab, wobei die Protonenzahl um 2 und die Neutronenzahl ebenfalls um 2 sinkt. D.h. den Tochterkern findet man zwei Zeilen unterhalb und zwei Spalten links vom Mutterkern.
    • Betazerfall
      • Beim Betazerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, wodurch ein Elektron frei wird. Dieses wird auch Betateilchen genannt. Die Anzahl der Neutronen verringert sich also um 1, während die Zahl der Protonen um 1 steigt.
      • Die Lernenden sollen mit dieser Information und der Nuklidkarte zu einem gegebenen Betastrahler das Zerfallsprodukt nennen. (Bsp: Radium-229 wird zu Actinium-229)
      • Es wird anhand der Nukleonenzahl und der veränderten Elementbezeichnung deutlich, dass die Gesamtzahl der Kernteilchen gleich geblieben ist, sich die Protonenzahl aber verändert haben muss. Dies gilt für beide Arten des Betazerfalls. Beta-Plus-Strahler findet man oberhalb der stabilen Nuklide, Beta-Minus-Strahler unterhalb.

    • Es kann in einem Merksatz festgehalten werden, was Radioaktivität ist:

      Unter Radioaktivität versteht man die selbstständige Umwandlung eines Atomkerns in einen anderen Atomkern ohne äußere Einwirkung. Die dabei freiwerdene Strahlung nennt man Kernstrahlung.

    • Die Lernenden sollen im Anschluss das Arbeitsblatt Nuklidkarte-Zerfall bearbeiten.
  1. Für leichte stabile Kerne ist Protonenzahl=Neutronenzahl. Für schwerere verschiebt sich dieses Verhältnis etwas: schwere stabile Kerne haben etwas mehr Neutronen als Protonen.
  • Ziel: Die Lernenden lernen den Begriff Halbwertszeit kennen.
  • Aktivität:
    • Anknüpfend an eine weitere Angabe in der Nuklidkarte wird die Halbwertszeit eingeführt. Wenn etwas zerfällt, wird die Stoffmenge weniger. Die Angabe für die Zeit, nach der sich die Hälfte eines Stoffes umgewandelt hat, ist die Halbwertszeit. Sie steht direkt unterhalb der Nuklidbezeichnung ist für jedes Nuklid unterschiedlich.
    • Beispiel Wasserstoff-3: HWZ Halbwertszeit von Wasserstoff-3. Oranger Balkenanteil stellt Wasserstoff-3 dar, grauer Anteil Helium-3 (stabil).
    • Die Lernenden sollen nach dem Nuklid mit der höchsten und der kleinsten Halbwertszeit im Ausschnitt der Nuklidkarte suchen. (längste: Thorium-232 14.050.000.000a, kürzeste: Silizium-22 6ms 1 )
    • Nach jeder Halbwertszeit nimmt die Menge eines radioaktiven Stoffs um die Hälfte ab.
    • Beschrieben werden kann dies über
      \[N(x) = N_0\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^x,\] wobei \(x\) die Anzahl der Halbwertszeiten und \(N_0\) die Anfangsmenge einer radioaktiven Substanz ist. In Worten: Nach jeder Halbwertszeit halbiert sich die Anfangsmenge eines radioaktiven Stoffes.

    • Die Lernenden schreiben einen Merksatz auf:

      Die Zeit, nach der die Hälfte einer bestimmten Menge eines radioaktiven Stoffs zerfallen ist, wird Halbwertszeit genannt. Sie ist für jedes Radionuklid eine charakteristische Größe. Die Menge nach \(x\) Halbwertszeiten kann mit der Formel \[N(x) = N_0\cdot \left(\frac{1}{2}\right)^x,\] berechnet werden.

      • Beispiel: 18g Brom-82 liegen vor. Br-82 hat eine Halbwertszeit von 35 Stunden. Wieviel Br-82 ist nach 72 Stunden vorhanden?
        1. Anzahl der Halbwertszeiten bestimmen: \(\frac{72}{35}\approx 2,057\)
        2. Stoffmenge bestimmen: \(N(2,057) = 18\mathrm{g}\cdot\frac{1}{2}^{2,057}\approx 4,3\mathrm{g}\)
        3. Nach 72 Stunden sind noch etwa 4,3g Brom vorhanden.

  1. 2009 wurde herausgefunden, dass Bismut-209 ebenfalls radioaktiv ist (Link). Zuvor wurde es für stabil gehalten. Dies liegt an seiner langen Halbwertszeit von etwa 19 Trillionen Jahre.

  • Ziel: Die Lernenden lernen die zweite charakteristische Größe von Radionukliden kennen; die Aktivität.
  • Aktivität:
    • Im Umgang mit radioaktiven Stoffen ist nicht die Menge eines radioaktiven Stoffes nach einer gewissen Zeit wichtig, sondern wieviele Atomkerne sich in einer bestimmten Zeit umwandeln.
    • Die Größe Aktivität gibt die Zahl der Kernumwandlungen pro Sekunde an: \[\mathrm{Aktivität} = \frac{\mathrm{Anzahl\ der\ Umwandlungen}}{\mathrm{Zeit}}\]
    • Sie wird in der Einheit Becquerel (\(\mathrm{Bq}\)) angegeben. \(1\,\mathrm{Bq}=1\frac{\mathrm{Zerfall}}{s}\).
    • Die Lernenden sollen herausarbeiten, wie sich die Aktivität zur Halbwertszeit verhält.
      • Eine hohe Aktivität bedeutet, es finden viele Zerfälle pro Sekunde statt. D.h. nach kurzer Zeit ist die Hälfte eines radioaktiven Stoffen umgewandelt oder zerfallen. Eine hohe Aktivität führt also zu einer kurzen Halbwertszeit und andersherum.
    • Abnahme der Aktivität:
      • Nimmt die Menge eines radioaktiven Stoffes mit der Zeit ab, so verringert sich auch die Aktivität, da weniger Kerne existieren, die zerfallen können.
      • Die Abnahme der Aktivität \(A\) lässt sich genauso beschreiben wie die Abnahme des Stoffes: \[A(x)=A_0\cdot\left(\frac{1}{2}\right)^x,\] wobei \(x\) die Anzahl der Halbwertszeiten und \(A_0\) die anfängliche Aktivität beschreibt. In Worten: Nach jeder Halbwertszeit halbiert sich die Aktivität eines radioaktiven Stoffes.
  • Ziel: Die Lernenden wenden ihr erworbenes Wissen zu Aktivität und Halbwertszeit an und festigen es.
  • Aktivität: Die Lernenden bearbeiten das Arbeitsblatt Aktivität und Halbwertszeit. Die Lehrkraft unterstützt.

Letzte Änderung am 17.08.17, 09:17